История светодиода

Первое сообщение об излучении света твёрдотельным диодом сделал в 1907 году британский экспериментатор Генри Раунд из лаборатории Маркони.

Как и в обычном полупроводниковом диоде, в диоде светоизлучающем, ток легко проходит в прямом направлении и не проходит в обратном. Электроны при этом теряют энергию, которая в большей или меньшей степени, в зависимости от материала полупроводника, преобразуется в фотоны — это называется электролюминесценцией.

В 1923 году двадцатилетний руководитель Нижегородской радиотехнической лаборатории, в то время авангарда советской радиотехники, Олег Владимирович Лосев заметил голубоватое свечение, испускаемое некоторыми полупроводниковыми детекторами, которые преобразуют высокочастотный сигнал радиостанции в низкочастотный звуковой в простейших радиоприёмниках. Холодный свет рождался внутри карбидокремниевого кристалла вследствие неизвестных тогда электронных превращений.

Интенсивность излучения была столь ничтожной, что научная общественность фактически не увидела его, по крайне мере, в переносном смысле.

Вообще О. В. Лосев обессмертил свое имя двумя открытиями: что полупроводниковый кристалл может усиливать и генерировать высокочастотные радиосигналы, и именно этим — обнаружением испускания ими света при протекании тока.

Он-то вполне оценил практическую возможность создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с низким напряжением питания (менее 10 В) и высоким быстродействием. Он получил два авторских свидетельства на «Световое реле» — это в 1927 г. закрепило за СССР приоритет в области светодиодов.

Но лишь четверть века спустя учёные всерьёз занялись «полупроводниковым светом» — промышленная разработка светоиспускающих полупроводниковых диодов (LED, СИД) началась в 1951 г. в США в Центре по разработке ламп, работающих на основе эффекта Лосева.

В 1961 г. американцы Гари Питтман и Роберт Байард из компании Texas Instruments запатентовали светодиод инфракрасного излучения. Но он имел сложную, непрактическую структуру.

Первые LED видимого излучения промышленного назначения на основе GaAsP/GaP создал в лаборатории Университета штата Иллинойс Ник Холоньяк, он считается отцом современных светодиодов.

В те же годы созданы первые СИД красного и жёлто-зелёного излучения в пределах верхней границы восприятия человеческого глаза (500–600 нм) при световой отдаче 1–2 Лм/Вт — для индикаторного прибора приемлемо. Но стоимость — примерно $200. Всё же в 1968 г. фирма Monsanto выпустила первую серию таких индикаторных ламп. А компания Hewlett-Packard тут же построила светодиодный дисплей, предназначенный для рекламы — слабосветящийся, отображающий информацию только красным цветом — но первый в мире.

Ученик Н. Холоньяка — Джордж Крафорд — получил жёлтое свечение светодиода, повысив его яркость в десять раз.

Дальнейшее бурное развитие создания светодиодов шло по двум направлениям: расширение диапазона излучения и увеличение светового потока. Всё — на основе поиска материала полупроводника.

В семидесятые годы лауреат Ленинской премии, академик Жорес Иванович Алферов изобрел и изготовил многопроходные двойные гетероструктуры на основе GaAs, благодаря чему удалось значительно увеличить внешний световой поток СИД — до 15 % красной части спектра (светоотдача около10 Лм/Вт), и не менее 30 % — для инфракрасного излучения. За этот прорыв Ж. И. Алферов удостоен Нобелевской премии.

Между тем, Дж. Панков в лаборатории IBM создал на GaN светодиоды с голубым и фиолетовым излучением — однако, с малым сроком службы.

В 1976 году выходят в свет жёлтые, жёлто-зелёные и красно-оранжевые светодиоды на фосфидах Al, Ga, In, разработанные компанией Hewlett Packard и — что важно — выпущенные в серию.

В начале восьмидесятых М. В. Чукичев и Г. В. Сапарин в МГУ обнаружили яркое люминесцентное свечение образца GaN, легированного цинком, при воздействии на него электронного пучка. Понять причину этого явления в то время ученым не удалось.

К 1985 г. поток света СИД стабильно увеличился до 10 лм, появилась возможность их применения как самостоятельных световых источников типа лампочки в автомобилях.

Создание LED синего диапазона не удавалось вплоть до 1991 г., пока доктор Ш. Накамура из компании Nichia Chemical не создал гетероструктуру на InGaN (и к 1994 г. довёл LED на ней до крупносерийного производства). Благодаря этому замкнулся RGB-круг, и появилась возможность получать любые цветовые оттенки путем смешения цветов красного (R), зелёного (G) и синего (B). Использоваться могут как три отдельных светодиода, так и три кристалла в одном корпусе. В 1993 г. Nichia выпустила LED с цветами от голубого до зелёного — теперь светодиоды освоили весь видимый спектр. А в 1997 г. Фред Шуберт из политехнического института Ренсселера изготовил однокристалльный светодиодный прибор, излучающий в белом спектре — по технологии, использующей люминофор с накачкой синим светодиодом.

В 1999 г. Ш. Накамура заявил, что яркость LED достигает уже 60 лм/Вт, и они становятся адекватной альтернативой лампам накаливания (100 ваттная ЛН даёт 15 лм/Вт). В 2008 г. в Bilkent university в Турции получили 300 лм/Вт с использованием нанокристаллов.

К 2006 года светодиоды заняли на современном рынке в мобильных устройствах — 50 %, в автомобильной светотехнике 15 %, всевозможных табло, рекламе — 15 %.

А в настоящее время в качестве альтернативного освещения они занимают от трети до половины от общего.

Последние десять лет светодиоды шагают шире и результативнее, чем за предшествующие сто. На страницах нашей газеты вы можете регулярно знакомиться с новинками реальной светодиодной техники.